采用定向能量沉积技术修复的TC6叶片部分跨度护罩的微观结构与力学性能

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure and mechanical properties of TC6 blade partspan shroud repaired by directed energy deposition

提出了一种新的等离子电解化学热处理方法，利用电解液喷射对旋转对称工件表面进行处理，研究其热物理特性、表面结构相变化及摩擦学性能，发现梯度相变由温度、碳扩散及冷却速率共同决定，显著提升表面硬度与耐磨性。

　　在金属材料表面处理技术中，近年来的研究趋势越来越关注如何通过高效、环保和可控的方法提升材料的性能。其中，一种新型的等离子电解化学热处理技术引起了广泛关注，该技术通过电解液喷射对被处理表面施加定向作用，从而实现材料表面的改性。这项技术的核心在于利用电解液喷射产生的等离子体与被处理材料表面之间的相互作用，实现对表面结构、成分以及物理性能的优化。本文以低碳钢旋转轴对称工件为研究对象，探讨了该处理方法在热物理特性、结构相组成变化、表面形貌以及摩擦性能方面的表现。

等离子电解化学热处理（Jet-PET）作为一种先进的表面处理技术，相较于传统的化学热处理或低温处理，具有更高的效率和更广泛的应用前景。其关键优势在于能够快速加热和冷却被处理表面，同时实现碳或硼等元素的均匀扩散。与传统方法相比，Jet-PET在处理过程中不需要长时间的高温保温，因此避免了因高温导致的晶粒长大和材料强度下降的问题。此外，该技术能够形成梯度结构相组成，使得处理区域与未处理相邻区域之间存在显著的性能差异。这种结构相的梯度变化主要由温度变化、碳扩散强度以及淬火冷却速率等因素共同决定。在特定的处理条件下，材料表面的结构可以由马氏体（具有高达980 HV的显微硬度）转变为准共析组织（显微硬度降至280–320 HV），从而实现材料性能的精准调控。

在Jet-PET过程中，表面形貌的变化尤为显著。高温度氧化和阳极溶解这两种主要的反应过程对表面粗糙度和形貌产生竞争性影响。高温度氧化能够形成一层致密的氧化膜，这不仅有助于提高材料的耐腐蚀性，还能在一定程度上改善其摩擦性能。而阳极溶解则通过去除表面不规则性来降低粗糙度，进一步提升表面质量。这两种反应的协同作用使得Jet-PET在处理过程中能够实现材料表面的精细化改造，从而显著提升其使用寿命和性能表现。

摩擦性能的提升是Jet-PET技术的重要应用之一。在处理区域，氧化层作为润滑剂与高硬度基体结合，同时表面轮廓的改善也增强了材料的承载能力。这种双重作用机制使得Jet-PET在接触区域的摩擦系数降低了1.4–1.6倍，而重量磨损和体积磨损分别减少了60倍和10–27倍。这种显著的性能提升使得Jet-PET在提高材料表面的摩擦学性能方面展现出巨大的潜力。

与传统的表面处理技术相比，Jet-PET具有更高的处理速度和更好的控制性。在传统的化学热处理中，处理过程通常需要较长的时间，且材料表面的改性效果往往不够均匀。而Jet-PET通过电解液喷射的方式，能够快速地将能量传递到被处理表面，从而实现高效的加热和冷却。此外，该技术能够通过控制电流密度和温度分布，实现对表面改性区域的精准控制。这使得Jet-PET在处理复杂形状和大尺寸工件时具有一定的优势，尽管在某些情况下仍存在处理均匀性和材料适用性的挑战。

为了克服这些挑战，研究者们提出了局部处理的方法，即通过电解液喷射对特定区域进行处理，而非对整个工件表面进行统一处理。这种方法在微弧氧化和等离子电解抛光中已有应用，特别是在需要对表面进行精细处理的场合。通过计算机建模，研究者们分析了局部处理过程中电解液喷射对表面形貌的影响，发现喷射处理能够显著降低表面粗糙度，同时提高处理效率。在实际应用中，喷射处理的速度比传统的浸入式处理快6倍，而表面粗糙度则降低了10倍以上。这种高效的处理方式不仅减少了能量消耗，还提升了材料的耐腐蚀性，为未来材料表面处理技术的发展提供了新的思路。

然而，尽管Jet-PET技术在多个方面展现出优势，但目前的研究仍存在一定的局限性。例如，电解液喷射的均匀性和稳定性仍然是影响处理效果的关键因素，尤其是在处理复杂形状和大尺寸工件时，电流密度和温度分布的不均匀性可能导致表面改性效果的差异。此外，该技术在某些特定材料上的适用性仍需进一步研究，尤其是在高碳钢等材料上，是否能够避免因过度冷却而导致的脆化问题。同时，Jet-PET的设备成本和操作复杂性也是一大挑战，这限制了其在工业领域的广泛应用。

为了进一步推动Jet-PET技术的发展，研究者们提出了多种优化方案。例如，通过改进电解液的配方和喷射方式，可以提高处理过程的均匀性和稳定性，从而提升表面改性的质量。此外，优化电流密度和温度控制参数，使得处理过程能够在最佳条件下进行，进一步提高处理效率和材料性能。同时，通过计算机模拟和实验验证，研究者们能够更准确地预测处理过程中表面形貌和结构相组成的变化，为实际应用提供理论支持。

在实验过程中，研究者们使用了一种专门的设备，该设备能够提供电解液喷射和工件旋转的功能，从而实现对轴对称工件的均匀处理。电解液通过喷嘴以5 mm的直径喷射到工件的侧表面，形成局部的处理区域。通过这种方式，处理过程能够在工件表面形成一个稳定的气-液-固三相系统，其中气相部分主要由电解液蒸发产生的蒸汽组成，而液相部分则是电解液本身，固相部分则是工件材料。这种三相系统的形成不仅有助于提高处理效率，还能确保处理过程中能量的有效传递和反应的顺利进行。

在处理过程中，研究者们测量了电压-电流和电压-温度特性，以确定处理的最佳条件。在电压范围150 V及以上的条件下，处理过程进入了一个稳定的加热阶段，此时电解液蒸发产生的蒸汽能够形成连续的气相层，从而实现对工件表面的均匀加热。这种加热方式不仅避免了传统方法中的高温问题，还能够通过控制电流密度和温度分布，实现对处理区域的精准调控。此外，通过调节电解液的组成和喷射速度，研究者们能够进一步优化处理过程中的元素扩散和氧化反应，从而提升材料的性能表现。

研究者们还探讨了Jet-PET技术在不同材料上的适用性。例如，在低碳钢和合金钢的处理过程中，Jet-PET能够显著提升材料的硬度和耐磨性，同时减少表面粗糙度。而在钛合金的处理中，该技术同样表现出良好的效果，能够形成致密的氧化层，从而提高材料的耐腐蚀性和摩擦学性能。这些实验结果表明，Jet-PET技术不仅适用于传统的金属材料，还能够扩展到高性能材料的处理中，为未来材料表面处理技术的发展提供了新的方向。

为了进一步提升Jet-PET技术的应用价值，研究者们还提出了多种改进措施。例如，通过优化电解液的配方，可以提高处理过程中元素的均匀分布和反应的可控性。此外，改进喷射方式和设备设计，使得电解液能够更均匀地覆盖被处理表面，从而提高处理效果。同时，通过引入先进的控制技术，研究者们能够更精确地调节处理过程中的温度和电流密度，确保处理过程的稳定进行。这些改进措施不仅能够提高Jet-PET技术的处理效率，还能增强其在实际应用中的可行性。

在实际操作中，Jet-PET技术的处理效果受到多种因素的影响。例如，电解液的组成和喷射速度直接决定了处理过程中元素的扩散和氧化反应的强度。此外，工件的旋转速度和方向也会影响处理区域的均匀性和稳定性。通过实验研究，研究者们发现，当工件旋转速度适当时，处理区域能够更均匀地分布，从而提高处理效果。同时，处理过程中形成的气-液-固三相系统能够确保能量的有效传递和反应的顺利进行，这使得Jet-PET技术在处理过程中能够实现更高的效率和更好的控制性。

综上所述，Jet-PET技术作为一种新型的表面处理方法，具有较高的处理效率和良好的性能提升效果。其核心优势在于能够通过电解液喷射实现对被处理表面的精准调控，同时避免传统方法中的高温问题和材料脆化风险。然而，该技术在实际应用中仍面临一些挑战，如处理均匀性、设备成本和材料适用性等问题。为了进一步推动Jet-PET技术的发展，研究者们需要在电解液配方、喷射方式和设备设计等方面进行持续优化，以提高处理效果和应用范围。随着研究的深入和技术的进步，Jet-PET有望成为未来材料表面处理的重要手段之一。